雾对城市边界层和城市环境的影响

徐怀刚 邓北胜
提
周小刚
要
王
强
（中国气象局培训中心， 北京 !"""#!）
根据 !$$$ 年 !!、 再配 !% 月及 %""! 年 % 月北京市几次雾过程的大气边界层探测资料， 合大范围气象资料， 分析了北京城市雾发生过程中的大气环流形势， 对比研究了出现水雾和 霾时不同的边界层结构特征， 结合环境污染监测资料， 分析了雾对城市大气环境的影响。结 果表明， 在雾的发生发展过程中， 边界层的温度层结由雾前的逆温层转变为雾区内的近中性 层结， 雾的微物理结构变化也表现出对污染物的沉降作用明显减弱， 造成在雾发生时， 城市 空气污染相对严重。同时， 该文初步探讨了这种变化的物理机制。 关键词：雾 边界层 逆温层 空气污染
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野外试验情况
为了对雾发生的条件及影响城市环境的物理化学过程提供研究资料， 我们组织了综
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本项研究获得北京市自然科学基金 （编号 #$#!""%） 和 《国家重点基础研究发展规划》 项目： 首都北京及周边地 区大气、 水、 土环境污染机理与调控原理 （项目编号： 共同资助。 6!$$$"C&D""） %""!E"#E"’ 收到， %""!E!"E%% 收到修改稿。
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实验资料分析和主要结论
雾的基本类型 对于上面分析的 !! 日到 !+ 日大雾天气， 考虑到环流形势和根据文献 ［ #］ ， 可以判断
出不是单纯的辐射雾， 具有平流雾的特征。 #%%% 年 ## 月 #% - !# 日的霾天气， 北京地区 空气比较干燥， 较平直的偏西气流也没有带来水汽， 而到 !! - !+ 日， 由于偏南气流带来了 充沛水汽， 再加上地面的辐射冷却， 所以产生了水雾。 !,# 雾的层结特征 （#）温度层结特征 图 !$、 霾过程时的温度层结廓线。在日落以 . 分别是大雾过程、
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雾过程的大尺度环流形势特征
其间发生了几次雾过程和霾过程。 &;;; 年的野外观测从 && 月 & 日至 &. 月 .’ 日， 北京地区大气能见度一直很低， 从能见度角度， 这几天都有雾。 &;;; 年 && 月 &; < ., 日， 但是 &; < .. 日， 近地面层相对湿度较低， 空气较干燥， 虽然出现低能见度， 但不可能存在 悬浮的水滴， 这是由于空气中悬浮干粒子的影响， 应当是” 霾” 。水雾出现的时间是 .. 日 雾层厚度达到 .’’ (， 随后雾浓度缓慢减弱， .’ 时， ., 日凌晨 , 时左右达到最强， / 时雾层 厚度 &/’ (， ; 时左右雾消散。 从天气形势的演变可以看出， &; < ., 日天气形势可分为三个阶段。第一阶段， &; 日 第二阶段， 第三阶段， .’ 时 < .& 日 .’ 时； .& 日 .’ 时 < .. 日 .’ 时； .. 日 .’ 时 < ., 日 .’ 时。在 =/’ >0? 天气图上可看出， 影响北京地区的环流形势： 第一阶段为较平直的西风气 流 （图 &?） ， 第三阶段是较强的偏南气流 （图 &@） ， 第二阶段则是由偏西气流向偏南气流的 环流转变阶段。 环流形势的变化， 主要是从 .. 日 ’= 时开始， 由于乌拉尔山地区快速发展了一个高压 系统， 使得第一阶段在贝加尔湖附近一直存在且少变的近于纬向的横槽分裂转向南压东 移， 而位于东南沿海附近的高压， 其轴线由纬向逆转为偏东北—西南向， 使得北京地区在 被较强的偏南气流控制。 A’’ >0? 的环流变化和 .. 日 .’ 时处于河套深槽的槽前位置， 北京地区由 &; < .. 日一直被弱的高压系统控制， 到 .. =/’ >0? 相似。在地面天气图上， 日 .’ 时以后， 位于东西两高之间的低压暖区 （两高分别位于鄂木斯克及日本海附近） 。 万方数据 环流形势的变化也反映在北京地区湿度平流的变化上， 根据分析， 环流形势的第一、
图 ! （(） （ 、 )） 分别为 *&&& 年 ** 月 !! 日 + !# 日温度廓线、 相对湿度廓线 （,） （ 、 ’） 为 *&&& 年 ** 月 !" 日 + !* 日温度廓线、 相对湿度廓线
（#）雾和霾的区分 根据上面的分析我们知道， 雾和霾都是低能见度天气， 雾中的低 能见度是由 悬 浮 的 雾 水 滴 造 成 的， 霾的低能见度现象是空气中各种悬浮的颗粒物造
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净辐射和能见度随时间变化图 （"）#$$$ 年 ## 月 %& 日 #’ 时 ( %# 日 #’ 时、 （ )）#$$$ 年 ## 月 %% 日 #’ 时 ( %! 日 #’ 时
境、 地理状况、 污染源等不尽相同， 因此雾对城市大气污染的影响很不平衡。 大气污染物的弥散过程受多种因素的影响， 大气湍流起了重要的作用。雾形成前近 地层的较强逆温层， 是不利于污染物扩散的， 而雾形成后雾层内的近中性层结特征改变了 污染物扩散的条件， 相对有利于污染物在雾区内散布。雾顶更强的逆温层会使污染物更 难以向上层大气扩散， 造成整个雾区内污染物浓度加重。因此， 雾发生时， 雾区内污染物 浓度相对来说是比较高的。根据北京市 #$$$ 年全年统计结果， 日平均污染物浓度在 ! 级 及好于 ! 级的天数占 *’ + ,- ， 但是在有雾的时候， 污染物浓度往往会达到最严重的 . 级， 在主要污染物中， 可吸入颗粒物浓度等级最高。统计资料表明， 有雾时污染物浓度总是相 对较高。 对空气中几种主要污染物浓度变化的分析表明， 在没有雾发生时， 不同污染物浓度变 化基本是同步的。但在雾发生时， 二氧化硫浓度有时会随着雾的发展而降低， 在雾消散后 又会明显增加， 其变化过程不再与其它污染物浓度变化同步 （图 ,） 。这一浓度变化在雾 水化学成分中也有体现， 有较多的硫酸根离子存在。这种变化表明， 一部分二氧化硫气体 转化到雾水中了， 而其它不溶于水的污染物浓度没有受到雾的影响， 实际探测资料还表 明， 以冰晶为主的冷雾对二氧化硫浓度也没有明显的影响。 从一般意义上说， 雾滴可以吸附部分空气中的污染物， 例如二氧化硫等可溶性污染物 和吸湿性凝结核会进入雾滴， 同时雾滴在雾的发展过程中会通过水汽凝结或碰并过程增 大尺度， 加快重力沉降， 从而可以对污染物起到一定的清除作用。但是测量结果表明北京 万方数据
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第二阶段， 受偏西气流控制的北京， 没有湿度平流。 !! 日 !" 时北京处在较强的暖舌区， 在偏南气流的影响下， 湿度平流为正值区。
图 # （$）#%%% 年 ## 月 !" 日 !" 时 &’" ()$ 天气图 （ *）#%%% 年 ## 月 !+ 日 "! 时 &’" ()$ 天气图 （同化资料）
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雾对城市边界层和城市环境的影响 !
一般来讲在晴朗天气下垫面较均匀时其边界层层结曲线较平滑温度曲线向冷区偏移霾天气时的温度层结基本符合这一规律同时实测资料也表明城市边界层各种气象要素受下垫面的影响较大城市建筑物可以形成局地环流各种乱流从而影响城市边界层的结构
第 !’ 卷 特刊 %""% 年 ! 月
应用气象学报
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特刊
徐怀刚等： 雾对城市边界层和城市环境的影响
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的对应关系。!! 日 !" 时雾已经出现， 逐渐增厚， 这时温度曲线 !# 日凌晨 # 时达到最强， 中近中性层结也达到最高点， 都在 !"" $ 附近。 !# 日 "#、 "%、 "& 时温度廓线拐点的变化 对应着相对湿度拐点的变化。雾顶以上的相对湿度递减很快， 梯度很大。对于霾天气时 的相对湿度 （图 ! ’） ， 在近地面层递减的特别快， 反映当时大气中含水量很少， 空气干燥， 说明即使有很强的辐射逆温， 如果没有外来的水汽补充， 也不可能有水雾形成。
引
言
近年来， 随着首都北京向现代化和国际化大都市的迈进， 城市环境状况也愈来愈引起
了人们的重视， 特别是城市雾严重影响了人们的生活， 不仅阻碍交通运输， 而且使大气质 量严重恶化。因此， 城市雾已经引起了人们的普遍关注， 消除雾害， 净化大气， 已引起政府 和社会的严重关切。 根据课题组对近 &" 年的气象资料进行统计分析， 北京市的年雾日数在六十年代到七 十年代初仅仅有 #" 天左右， 从七十年代到八十年代中期雾日数大幅度增加， 近十几年总 体趋势趋于平稳， 基本保持在 %"" 天上下。分析认为， 在雾日数的增加中， 有些实际上是 低能见度天气增加， 沙尘天气、 工业排放、 汽车尾气、 飞机起降等， 增加了空气中的悬浮颗 粒物， 使能见度较低， 人们认为的雾日， 其实很多在气象上称为 “霾” 。其次， 浓雾的影响在 增大， 影响范围扩大， 有时雾和霾交替影响， 持续时间长， 给人民生活、 交通运输带来不便， 造成的损失更大。同时， 人们的环境意识增强了， 认识到了雾的危害性， 对雾也更加关心。 雾发生在边界层中， 而边界层受下垫面的影响， 情况非常复杂， 进一步加强对城市雾 的监测和研究， 分析城市雾的结构特征， 找出城市雾的发生发展规律， 完善城市环境灾害 预测预警系统已成为十分紧迫的任务。
［# + .］ 污染物和气体状态污染物。雾对大气污染的影响已经有很多观测研究 ， 最著名的可
能要算发生在 *&/! 年冬季的伦敦雾事件， 该事件主要是由二氧化硫和烟尘造成， 最大浓
［/］ 度达到 . 万方数据 持续 / 天的污染引起约 .""" 人死亡 。但 是 由 于 各 个 城 市 的 自 然 环 $ 0 1 $# ，
后， 大雾发生前， 近地面出现逆温层， 由于辐射降温， 近地面层内水汽浓度很快达到饱和状 态， 形成雾滴。此后， 在雾层内温度层结转变成近于中性， 逆温层抬升到雾顶以上， 并有很 强的逆温梯度， 是一个强稳定层结。比较霾天气过程和雾过程的温度层结时发现， 霾天气 时逆温层是接地的， 且非常深厚， 没有在有雾时低层的中性层结， 说明近地面层是一深厚 的稳定层， 在这样的层结里， 各种物质不容易向外扩散， 导致污染物的堆积， 能见度很差。 一般来讲， 在晴朗天气下垫面较均匀时， 其边界层层结曲线较平滑， 温度曲线向冷区偏移， 霾天气时的温度层结基本符合这一规律， 同时实测资料也表明， 城市边界层各种气象要素 受下垫面的影响较大， 城市建筑物可以形成局地环流， 各种乱流， 从而影响城市边界层的 结构。 大雾过程中 （图 ! *） ， 整个雾层内相对湿度达到饱和状态， 相对 湿度廓线转变为不饱和状态的拐点就是雾顶高度， 雾层的厚度和温度层结曲线有非常好 万方数据 （!）湿度层结特征
万方数据
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徐怀刚等： 雾对城市边界层和城市环境的影响
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合性野外探测实验， 充分利用北京市气象观测网和城市环境污染监测网的资料， 并以南郊 北京市观象台为主站， 增加专门的探测项目。其中能见度监测使用 !"#$"%" 公司自动 气象站的能见度仪， 在 &’ ( 高度安装了日本产的 )"*+,’’ 超声风速温度仪， 测量大气湍 流。并进行了全面的辐射测量。 在边界层探测方面， 用美国 "#- 公司的 *$+." 系留气球探测系统进行边界层气象要 素测量， 通常可以测量 &’’’ ( 高度以下大气边界层内温度、 湿度、 风速、 风向的廓线， 由于 自动定高， 在有雾时使用非常方便。同时利用了中国科学院设在市区北部的 ,./ ( 高的 气象塔， 在 &/ 层不同高度上测量温度、 湿度和风。 在环境污染监测方面， 北京市已拥有标准的污染监测网， 在市区和近郊区有自动监测 站连续进行污染物浓度的监测， 主要监测项目包括二氧化硫， 氮氧化物， 一氧化碳， 臭氧和 可吸入颗粒物等。为了与气象测量同步， 在有雾发生时， 还在主站有一台污染监测车进行 连续测量。 同时进行了雾滴和气溶胶采样， 分别用 01$ 粒子采样器进行雾滴谱测量， 用气溶胶 采样器进行气溶胶粒子谱分析， 用 234 * 粒子采样器进行 01&’ 和 01. 5 / 的监测和分 析。 在实验主站用雾水采样器收集雾水， 以每 6’ (78 为一个样品， 进行 9: 值、 电导率和 化学成分分析。用气溶胶采样器的滤膜收集气溶胶粒子， 进行化学成分分析。
［!］ ， 相对湿度较低。有雾发生时， 雾滴还会影响长波辐射的传输， 使长波辐射达到了新 成
的平衡。 图 # 是雾天气和霾天气时其能见度和净辐射的关系综合图， 时间范围从头天的 下午 % 时到第二天的下午 % 时。!! + !# 日产生了水雾， !" + !* 日是霾天气。可以看出， 虽然都是低能见度， 但在水雾中， 观测到的净辐射基本为零 （图 # )） 。而在霾的天气过程 中， 就没有这样的结果 （图 # (） 。因此， 低能见度、 相对湿度达到饱和、 净辐射基本为零是 判断水雾的三个条件。 !-! 雾对大气污染的影响 一般来讲， 大气污染有自然过程和人为因素两种。影响北京城区的污染因素有沙尘 天气、 工业排放、 汽车尾气、 飞机起降、 生活燃煤等， 按其存在状态可分为两大类： 气溶胶状